20.07.2021 - Institute for Basic Science

Neuer Mechanismus der Supraleitung in Graphen entdeckt

Platzierung eines 2D-Bose-Einstein-Kondensats in der Nähe einer Graphenschicht verleiht dem Material Supraleitfähigkeit

Supraleitung ist ein physikalisches Phänomen, bei dem der elektrische Widerstand eines Materials unter einer bestimmten kritischen Temperatur auf Null sinkt. Die Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)-Theorie ist eine gut etablierte Erklärung, die die Supraleitung in den meisten Materialien beschreibt. Sie besagt, dass sich bei hinreichend niedriger Temperatur Cooper-Paare von Elektronen im Gitter bilden und dass die BCS-Supraleitung durch deren Kondensation entsteht. Graphen selbst ist zwar ein ausgezeichneter elektrischer Leiter, zeigt aber aufgrund der Unterdrückung von Elektron-Phonon-Wechselwirkungen keine BCS-Supraleitung. Dies ist auch der Grund dafür, dass die meisten "guten" Leiter wie Gold und Kupfer "schlechte" Supraleiter sind.

Forscher am Center for Theoretical Physics of Complex Systems (PCS), innerhalb des Institute for Basic Science (IBS, Südkorea), haben über einen neuartigen alternativen Mechanismus berichtet, um Supraleitung in Graphen zu erreichen. Sie erreichten dieses Kunststück, indem sie ein hybrides System vorschlugen, das aus Graphen und 2D Bose-Einstein-Kondensat (BEC) besteht. Diese Forschung ist in der Zeitschrift 2D Materials veröffentlicht.

Neben der Supraleitung ist das BEC ein weiteres Phänomen, das bei tiefen Temperaturen auftritt. Es ist der fünfte Zustand der Materie, der erstmals 1924 von Einstein vorhergesagt wurde. Die Bildung von BEC tritt auf, wenn Atome mit niedriger Energie zusammenklumpen und in den gleichen Energiezustand eintreten, und es ist ein Gebiet, das in der Physik der kondensierten Materie weithin untersucht wird. Ein hybrides Bose-Fermi-System stellt im Wesentlichen eine Schicht von Elektronen dar, die mit einer Schicht von Bosonen, wie z. B. indirekten Exzitonen, Exziton-Polaritonen, etc. wechselwirken. Die Wechselwirkung zwischen Bose- und Fermi-Teilchen führt zu verschiedenen neuartigen faszinierenden Phänomenen, die sowohl aus fundamentaler als auch aus anwendungsorientierter Sicht von Interesse sind.

In dieser Arbeit berichten die Forscher über einen neuen Mechanismus der Supraleitung in Graphen, der durch Wechselwirkungen zwischen Elektronen und "Bogolonen" entsteht, und nicht durch Phononen wie in typischen BCS-Systemen. Bogolonen, oder Bogoliubov-Quasiteilchen, sind eine Anregung innerhalb des BEC, die einige Eigenschaften eines Teilchens hat. In bestimmten Parameterbereichen erlaubt dieser Mechanismus die kritische Temperatur für Supraleitung bis zu 70 Kelvin innerhalb von Graphen. Die Forscher entwickelten auch eine neue mikroskopische BCS-Theorie, die sich speziell auf das neuartige hybride Graphen-basierte System bezieht. Ihr vorgeschlagenes Modell sagt auch voraus, dass die supraleitenden Eigenschaften mit der Temperatur verstärkt werden können, was zu einer nicht-monotonen Temperaturabhängigkeit der supraleitenden Lücke führt.

Darüber hinaus zeigte die Forschung, dass die Dirac-Dispersion von Graphen in diesem bogolon-vermittelten Schema erhalten bleibt. Dies deutet darauf hin, dass an diesem supraleitenden Mechanismus Elektronen mit relativistischer Dispersion beteiligt sind - ein Phänomen, das in der Physik der kondensierten Materie nicht so gut erforscht ist.

"Diese Arbeit wirft Licht auf einen alternativen Weg, um Hochtemperatursupraleitung zu erreichen. Indem wir die Eigenschaften eines Kondensats kontrollieren, können wir die Supraleitfähigkeit von Graphen einstellen. Dies deutet auf einen weiteren Kanal hin, um Supraleiter-Bauteile in der Zukunft zu kontrollieren", erklärt Ivan Savenko, der Leiter des Light-Matter Interaction in Nanostructures (LUMIN) Teams am PCS IBS.

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